оглавление

 

1. Введение………………………………………………………......2
2. Принципы работы и основные разновидности……………...3
3. Применение……………………………………………………….6
4. Приложение……………………………………………………….7
5. Список литературы……………………………………………....8

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Электромагнитные (плазменные) ракетные двигатели - двигатели, в которых рабочее тело ускоряется магнитным полем, находясь в состоянии плазмы. Скорости истечения рабочего тела, достижимые в плазменных двигателях существенно выше скоростей, предельных для обычных газодинамических (химических или тепловых) двигателей. Увеличение скорости истечения позволяет получать данную тягу при меньшем расходе рабочего тела, что облегчает вес ракетной системы.

Практическое применение на Советских и Американских космических  летательных аппаратах нашли плазменные электрореактивные двигатели. В таких плазменных двигателях через рабочее тело пропускается электрический ток от бортового источника энергии, в результате чего образуется плазма с температурой в десятки тысяч градусов. Эта плазма затем ускоряется либо газодинамически, либо за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии протекающего по плазме тока с магнитными полями.

Исследуются возможности создания плазменных двигателей на других принципах. Так, существуют модели плазменных двигателей, работающие на отдаче, вызванной разлётом продуктов разложения и испарения поверхностей твердых тел, облучаемых мощными импульсами лазерного излучения или импульсными электронными пучками. Обсуждается также схема ядерного ракетного двигателя на основе ядерного реактора с газофазными (плазменными) тепловыделяющими элементами. В этом реакторе делящееся вещество должно находиться в состоянии плазмы с температурой в несколько десятков тысяч градусов. При контакте с ним рабочее тело (напр., водород) будет нагреваться до соответствующих температур, что позволит получить скорости истечения в несколько десятков км/с

Рис. 1. Принципиальная схема плазменного ускорителя.

Принципы  работы и основные разновидности

По режиму работы различают  стационарные и импульсные электромагнитные двигатели. Основной разновидностью стационарных ЭМД, которые могут работать непрерывно, являются МГД (магнитогидродинамические, или магнитогазодинамические) - двигатели. В МГД-двигателях разгон плазмы производится обычно в прямоугольном канале, две противоположные стенки которого являются электродами (катодом и анодом), а две другие — электроизоляторами. Между электродами создаётся электрическое поле, под влиянием которого внутри плазмы возбуждается электрический ток. Одновременно внешняя магнитная система, полюса которой находятся со стороны электроизоляторов, создаёт в ускорительном канале магнитное поле, ориентированное перпендикулярно электрическому; поэтому такие РД называют ещё двигателями с взаимно перпендикулярными, или скрещёнными электрическим и магнитным полями. Ускорительный канал может иметь постоянное сечение, но чаще он несколько расширяется по длине наподобие реактивного сопла, что позволяет осуществить дополнительно газодинамический разгон РТ. Достижение требуемого ресурса МГД-двигателей является трудной задачей ввиду больших тепловых нагрузок на стенки канала. Последние изготовляются из жаростойких материалов (электродные — преимущественно из вольфрама, электроизоляционные — из керамики) и охлаждаются регенеративным, транспирационным и другими способами. С целью снижения эрозии стенок в качестве РТ используют химически инертный аргон (имеющий к тому же невысокий потенциал ионизации).

Конструктивно прост  коаксиальный МГД-двигатель (коаксиальный ускоритель), содержащий концентрически расположенные, разделённые изоляционной проставкой катод и анод, между  которыми возбуждается электрический  разряд. Ток, протекающий по центральному электроду, создаёт в плазме собственное магнитное поле так называемой азимутальной конфигурации, то есть круговой направленности в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя (по “правилу буравчика”). Взаимодействие этого магнитного поля с радиально направленным током разряда вызывает появление в плазме осевой электромагнитной ускоряющей силы. Последняя становится существенной лишь при силе тока в системе порядка 3 - 5 кА, ввиду чего коаксиальный МГД-двигатель называют также сильноточным плазменным ускорителем. При сравнительно небольших токах этот МГД-двигатель подобен дуговому электротермическому РД, в котором разгон нагретого РТ осуществляется газодинамическими силами в реактивном сопле. Поскольку в коаксиальном МГД-двигателе наибольшее ускорение плазмы происходит в начальной части канала, в зоне центрального электрода (здесь сила Ампера максимальна), эффективным является так называемый торцевой ЭРД, отличающийся малой длиной; аноду обычно придают форму реактивного сопла. Простота конструкции и компактность коаксиальных МГД-двигателей в значительной степени определяют интерес к ним. Однако рабочие токи большой силы осложняют задачу обеспечения длительного ресурса.

Своеобразны холловские ускорители, в которых ускоряющая электромагнитная сила возникает в  результате взаимодействия внешнего магнитного поля с т.н. токами Холла — вторичными токами, возникающими в любой токонесущей  среде, помещённой в поперечное (по отношению к первичному току) магнитное  поле. Эти токи становятся заметными  лишь при снижении давления плазмы до 1 — 0,01 Па. РТ в холловских ускорителях, как правило, являются пары щелочного металла. В образовании реактивной тяги большую роль играют ионы; в то же время из-за низкого давления среды мала степень увлечения нейтральных атомов и молекул. Эти особенности холловских РД сближают их с ионными электростатическими ракетными двигателями, по сравнению с которыми их важным преимуществом является большая плотность тяги. По особенностям конструкции, рабочей зоны и рабочего режима различают холловские ускорители с анодным слоем, линейные и торцевые.

Импульсные электромагнитные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений РД и длительность импульсов, можно получать любые потребные значения суммарного импульса тяги. ДУ с такими ракетными двигателями содержат накопитель электрической энергии (обычно конденсаторную батарею большой ёмкости) и блок коммутации или систему возбуждения разряда. В импульсных электромагнитных двигателях могут быть получены большие мгновенные значения тяги при сравнительно небольшой средней мощности электропитания и соответственно небольших общих нагрузках на конструкцию, что облегчает задачу достижения длительного ресурса РД. Выбор РТ практически неограничен: могут использоваться любые газы, металлы, твёрдые и жидкие диэлектрики. Наиболее прост коаксиальный импульсный электромагнитный двигатель, содержащий два коаксиально расположенных электрода, разделённых электроизоляционной перегородкой, через отверстия в которой подаётся РТ. При разряде конденсатора между электродами возникает ток и образуется сгусток плазмы, на который действует осевая ускоряющая сила (как в сильноточном торцевом РД), выстреливающая его из рабочей зоны (“плазменная пушка”). РД с плоскими электродами называют линейными, шинными, или рельсовыми (“рельсотронами”). При использовании в качестве РТ продуктов электрической эрозии электродов или изоляционной перегородки (обычно фторопластовая) получается т.н. эрозионный РД. Он является по существу развитием электровзрывного РД.

 В пинчевом импульсном  электромагнитном двигателе используется явление самосжатия (пинчевания) собственным магнитным полем сгустков плазмы, образующихся при разряде тока (силой до сотен кА) в газе внутри специальной камеры с соплом, через которое происходит истечение плазмы. В импульсном РД с бегущей волной последовательные сгустки плазмы, предварительно полученные индукционным (высокочастотным) методом (как в индукционном электротермическом РД), разгоняются внешним бегущим магнитным полем.

Применение

Активная разработка Э. р. д. началась с конца 50-х —  нач. 60-х гг. в СССР и США, позднее  — в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. В 1964 в системе ориентации советских КА “Зонд-2” в течение 70 мин функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели  температуру ~ 30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкф, рабочее  напряжение составляло ~ 1 кВ). В США  подобные испытания проводились  в 1968 на КА “ЛЭС-6”. В 1961 пинчевый импульсный РД американской фирмы “Рипаблик  авиэйшен” (Republic Aviation) развил на стенде тягу 45 мН при удельном импульсе 10—70 км/с. В 1971 в системе коррекции  советского ИСЗ “Метеор” работали два торцевых холловских РД, каждый из которых при мощности электропитания ~ 0,5 кВт развивал тягу 18—23 мН и удельный импульс свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений они проработали  непрерывно 140 ч.

В настоящее время  основное внимание уделяется разработке сильноточных Э. р. д. на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий) с электрической  мощностью до 1 МВт, способных длительно  работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и удельный импульс 20—30 км/с при кпд 30% и более. В 1975 подобный РД испытан в СССР на ИСЗ “Космос-728” (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил удельный импульс ~ 30 км/с).  
 
 
 
 

Приложение 

 

Схемы электромагнитных РД:

 

а - ускорительный канал  МГД-двигателя; б - торцовый коаксиальный МГД-двигатель; в - коаксиальный импульсный РД; г - линейный импульсный РД; д - пинчевый импульсный РД; е - эрозионный импульсный РД.

Е - напряжённость электрического поля; Н, В - напряжённость  и индукция магнитного поля; F - ускоряющая электромагнитная сила.

1 - рабочее тело; 2 - электроизоляционная  проставка (перегородка); 3 - корпус; 4 - электропитание; 5 - электроды; 6 - сопло; 7 - реактивная плазменная  струя (плазменный  сгусток); 8 - зона  электрической дуги; 9 - конденсаторная батарея; 10 - пружина подачи  рабочего тела.

Список  использованной литературы.

1. Энциклопедия "Космонавтика"под редакцией  В.П. Глушко(Москва,"Советская Энциклопедия", 1985)
2. Популярная механика
3. Плазменные ускорители, под ред. Л. А. Арцимовича [и др.], М., 1973.
4. Интернет